Propriétés photovoltaïques des polymères

Les polymères ont été testés en tant que matériaux donneurs avec des cellules de 27 mm

2

en cellules à hétérojonction

planaire. Les cellules sont préparées par spin-coating d’une solution du donneur sur de l’oxyde d’indium-étain (ITO) préalablement

recouvert de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrènesulfonate) (PEDOT : PSS). 30 nm de C60 sont ensuite déposés par

évaporation sous vide, complétés par une couche de 80 nm d’aluminium. Les paramètres photovoltaïques de ces dispositifs avant et

après recuit optimisés sous illumination (80 mW.cm

-2

) sont listés dans le Tableau 3.15 et la Figure 3.10.

Tableau 3.15. Propriétés photovoltaïques des polymères poly(14-16).

Composés Temp V

oc

(V) J

sc

(mA/cm²) FF (%) PCE (%)

poly(14) t.a. 0,43 0,05 0,2 0,006

poly(14) 140°C

a

0,64 1,55 0,28 0,34

poly(15) t.a. 0,55 0,12 0,19 0,015

poly(15) 100°C

a

0,55 0,22 0,19 0,0024

poly(16) t.a. 0,48 0,01 0,21 0,002

poly(16) 140°C

a

0,43 0,02 0,25 0,002

a recuit après 5 min.

Les dispositifs solaires avec les polymères en tant que matériau donneur ne présentent pratiquement pas d’effet

photovoltaïque avant et après recuit mis à part pour le polymère poly(14). En effet, alors que le recuit sur les polymères poly(15-16)

n’améliore pas les performances, pour le polymère poly(14), il permet une amélioration du rendement de photoconversion de 0,006 à

0,34 %. Le recuit a une légère influence sur le courant puisque la J

sc

passe de 0,05 mA.cm

-2

à 1,55 mA.cm

-2

. Cette augmentation

peut être due à une réorganisation du matériau induisant un meilleur transport des charges. Le recuit s’accompagne également d’une

augmentation de la tension V

oc

à 0,64 V (0,43 V à t.a). C’est la chaîne linéaire en C18 qui conduit au meilleur rendement

photovoltaïque dû probablement aux interactions lipophiles plus importantes. Des études ont montré que la position et la nature de la

chaîne ont un impact sur l’effet photovoltaïque.

45

Toutefois, le faible rendement photovoltaïque peut s’expliquer par des niveaux

énergétiques défavorables empêchant la cascade énergétique depuis le C

60

. Sur le spectre EQE, le photocourant généré par la

bande d’absorption du polymère poly(14) est faible (inférieur à 10 % à 

max

= 620 nm), alors qu’à 350 nm le C

60

contribue à hauteur

de 40%.

(45) (a) Yiu, A. T.; Beaujuge, P. M.; Lee, O. P.; Woo, C. H.; Toney, M. F.; Fréchet, J. M. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2180; (b) Warnan, J.; Cabanetos, C.; Labban, A. E.; Hansen, M. R.; Tassone, C.; Toney, M. F.; Beaujuge, P. M. Adv. Mater. 2014, 26, 4357; (c) Josse, P.; Labrunie, A.; Dalinot, C.; McAfee, S. M.; Dabos-Seignon, S.; Roncali, J.; Welch, G. C.; Blanchard, P.; Cabanetos, C. Organic Electronics 2016, 37, 479.

Chapitre 3

-128-

Figure 3.10. A gauche, courbes J(V) des meilleurs dispositifs bicouches ITO/PEDOT:PSS/poly(14) (noir = t.a. ; orange = 140°C), poly(15) (bleu = t.a.), poly(16) (rouge = t.a.)/C60/Al sous illumination (80 mW.cm-2). A droite, efficacité quantique externe des cellules sous irradiation monochromatique de poly(14) (noir)

superposée au spectre d’absorption de la cellule.

Malgré de très faibles rendements de photoconversion, la mobilité des trous des polymères a été estimée par la méthode

de conduction limitée par la charge d’espace (SCLC) en utilisant la loi de Mott-Gurney

46

sur des dispositifs

ITO/PEDOT:PSS/donneur/Au (Figure 3.11). Les polymères poly(15-16) présentent une très faible mobilité des trous avec une valeur

de 6.6.10

-7

et 4,3.10

-8

cm

2

.V

-1

.s

-1

. Le polymère poly(14) qui conduit aux meilleures performances photovoltaïque possède une

mobilité supérieure (1,4.10

-6

cm

2

.V

-1

.s

-1

). Ceci semble être en accord avec l’hypothèse émise d’un meilleur arrangement dû à des

interactions lipophiles des chaînes alkyles linéaires contrairement à la chaîne ramifiée. La faible valeur pour le polymère poly(16)

présentant les chaînes thioéthers est probablement due à une torsion causée par les interactions S-S limitant alors le transport des

trous.

Figure 3.11. Mobilité des trous en régime SCLC : h (poly(14)) = 1,4.10-6 cm2.V-1.s-1 (noir), h (poly(15)) = 6,6.10-7 cm2.V-1.s-1 (bleu) et h (poly(16)) = 6.10-6 cm2.V-1.s-1 (rouge). Architecture dispositifs : ITO/PEDOT:PSS/donneur/Au.

Poly(14) a également été étudiés comme matériau accepteur au sein de dispositifs à structure inverse avec le P3HT

comme matériau donneur (ITO/ZnO/P3HT-poly(14)/Mo (7 nm)/Al (100 nm)), en regard des niveaux énergétiques des polymères

proches du C

60

. De très faibles rendements de photoconversion (0,02 % en moyenne) sont obtenus avec une tension V

oc

de 0,49 V et

(46) Wang, Z. B.; Helander, M. G.; Greiner, M. T.; Qiu, J.; Lu, Z. H. J. Appl. Phys. 2010, 107, 034506.

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 J (mA.c m -2) V (V) 400 600 800 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 EQE (%) Wavelength (nm) 0.0 0.1 0.2 Absorbance 1 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 J (A.cm -2 ) V (V)

un courant J

sc

de 0,09 mA.cm

-2

. Ce faible rendement ne peut être expliqué sans réaliser d’autres essais de cellules photovoltaïques.

Par manque de temps, cette étude n’a pas été approfondie.

3.9. Conclusion

Au bilan, trois polymères ont été obtenus par polymérisation par arylation directe dont deux avec des chaînes alcoxy et le

dernier avec une chaîne thioéther. Pour permettre l’obtention de polymères solubles, l’allongement des chaînes a été entrepris avec

des chaînes linéaires de 18 carbones ou ramifiées de 10 carbones. Pour la synthèse des monomères avec la chaîne thioéther par

couplage de Stille, une nouvelle méthode utilisant des liquides ioniques immobilisant le métal a été développée. D’autre part,

l’insertion de l’iode regiosélectivement par un procédé rapide et vert a été généralisé sur divers dérivés du thiophène. La substitution

du monomère thiophène par un accepteur : cyano et un donneur : alcoxy ou thioéther permet d’étudier les effets sur les propriétés

électroniques et photovoltaïques. Les deux polymères comportant l’alcoxy présentent une large couverture spectrale de 400 à 800

nm, contrairement au polymère substitué par le thioéther qui est plus étroite (400 – 600 nm) en raison des interactions S---S

défavorables. Les niveaux énergétiques des polymères déterminés par électrochimie sont plus proches de ceux du C

60

que du P3HT

avec une barrière énergétique d’environ 1,80 eV pour les alcoxy et d’environ 2,4 eV pour le thioéther. Les essais des polymères en

tant que donneur et accepteur donnent des rendements très faibles. C’est le polymère avec une chaîne alcoxy linéaire en C18 qui

présente le meilleur résultat en conversion photovoltaïque avec un rendement de 0,34 %. Des optimisations devront être effectuées

sur la polymérisation par arylation directe afin d’augmenter la taille des polymères tout en diminuant le pourcentage molaire en

catalyseur, et en ajoutant potentiellement un ligand.

Chapitre 3

-130-

3.10. Références

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Chapitre IV - Exploration autour du furane et du benzofurane

Dans le document Synthèse de nouveaux semi-conducteurs organiques par arylation directe (Page 133-138)